JP2017045773A - 発光装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】光度の調整が容易な発光装置を提供する。【解決手段】発光装置は、第１の基板１１と、第２の基板１７及び当該第２の基板上に形成され且つ発光層を含む半導体構造層１９からなり、当該第１の基板上に配された発光素子１５と、当該発光素子の、当該第１の基板側の面と反対側の面上のみに形成された遮光粒子を含む材料からなる遮光体２３と、を有する。【選択図】図１Ｂ
Description
本発明は、発光装置、特に発光ダイオード（ＬＥＤ）などの半導体素子を有する発光装置に関する。
発光ダイオードなどの発光素子は、通常、成長用基板上に、ｎ型半導体層、発光層、及びｐ型半導体層を成長し、それぞれｎ型半導体層及びｐ型半導体層に電圧を印加するｎ電極及びｐ電極を形成して作製される。さらに、発光素子は配線などが形成された第一の基板上に固定され、光取出し面を樹脂などで封止されて発光装置が作製される。
近年では、発光素子の高輝度化が進んでおり、高輝度の素子が流通し、容易に入手可能である。高輝度化が進んだ一方で、インジケータ用途など、低光度製品への需要もある。
特許文献１には、発光素子チップを封止保護する樹脂材に蛍光粒子及び色素粒子を含有させることにより、色調を調整する発光ダイオードについて記載されている。特許文献２には、蛍光粒子を混入した被覆部材に減光材として黒色系顔料を混入して輝度のばらつきを調整した白色発光装置が開示されている。
特許文献２に記載の発光装置のように、被覆部材に蛍光粒子と共に混入する黒色系顔料の量を調整することにより光度を制御しようとした場合、顔料の混入割合の変化に対する光度の変化が大きく、光度を制御することが困難であった。又、輝度や色度が均一な光出射面を得ることも困難な場合があった。さらに、被覆部材全体が黒くなるため、黒色顔料を使用していない発光装置と比較して意匠性（光出射面の色）が大きく異なってしまっていた。
本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、光度の調整が容易な発光装置を提供することを目的としている。
上述した目的を達成するため、本発明の発光装置は、第１の基板と、第２の基板及び当該第２の基板上に形成され且つ発光層を含む半導体構造層からなり、当該第１の基板上に搭載された発光素子と、当該発光素子の、当該第１の基板側の面と反対側の面上のみに形成され、遮光粒子を含む材料からなる遮光体と、を有することを特徴とする。
以下に本発明の好適な実施例を詳細に説明する。なお、以下の説明及び添付図面においては、実質的に同一または等価な部分には同一の参照符号を付している。
図１Ａは、発光装置１０の構成を示す上面図である。図１Ｂは図１Ａの、１Ｂ−１Ｂ線に沿った断面図である。
第１の基板としてのパッケージ基板１１（搭載基板）は、例えばガラスエポキシ基板である。なお、パッケージ基板１１には、ガラスシリコーン基板、またはアルミナやＡｌＮなどのセラミック材料からなる基板を用いることもできる。パッケージ基板１１の表面には、Ｃｕ等の導体を当該表面にメッキ等することで形成された接続電極１３が設けられている。
接続電極１３は、ｐ接続電極層１３ａ及びｎ接続電極層１３ｂを含んでいる。接続電極層１３a及び１３ｂは、パッケージ基板１１の一方の主面（上面）から側面を通り他方の主面（下面）まで延在するように形成されている。ｐ接続電極層１３ａとｎ接続電極層１３ｂとは、パッケージ基板１１の表面上において互いに離間して形成されることによって、絶縁されている。
パッケージ基板１１の一方の主面（上面）側に形成されているｎ接続電極１３ｂ上には、発光素子１５が搭載されている。発光素子１５は、平面形状がパッケージ基板１１よりも小さい。従って、パッケージ基板１１上面において、パッケージ基板、ｐ接続電極１３a及びｎ接続電極１３ｂの上面は、発光素子１５の周囲において発光素子１５から露出している。なお、以下においてパッケージ基板１１の上面と同じ方向を向く面を、上面として説明する。さらに、上面と反対の方向を向く面を、下面とする。また、パッケージ基板１１の上面が向いている方向を上方、その反対方向を下方として説明する。
発光素子１５は、第２の基板としての素子基板１７と素子基板１７上面に搭載され且つ発光層１９ｂ（図２参照）を含む半導体構造層１９からなる。素子基板１７は、ＳｉＣ等の導電性を有し、且つ発光層１９ｂからの出射光に対して透光性を有する透光性基板で形成されている。素子基板１７は、ｎ接続電極１３ｂ上に、例えばAgペーストなどの導電性のダイアタッチ剤（図示せず）などを用いて固定されている。すなわち、素子基板１７とｎ接続電極１３ｂとが電気的に接続されている。
半導体構造層１９は、例えば発光層を含むＩｎＧａＮ系半導体層を素子基板１７上に積層あるいは接合することにより形成されている。半導体構造層１９は、半導体材料をエピタキシャル成長などにより結晶成長させることによって積層されている。半導体構造層１９の発光層からは、例えば波長約４５０ｎｍの青色光が出射される。
半導体構造層１９の上面には、上面電極２０が設けられている。上面電極２０は、Ａｕ等の導電性を有する材料で形成されている。上面電極２０とｐ接続電極１３ａとが、Ａｕ等の導電ワイヤ２１を用いてワイヤボンディングにより接続されている。
遮光体２３は、発光素子１５の上面において半導体構造層１９を埋設するように形成されており、遮光性粒子を含有する樹脂体またはガラス体である。すなわち、遮光体２３は、半導体構造層１９の上面及び側面並びに素子基板１７の上面を覆うように形成されている。換言すれば、遮光体２３は、発光素子１５のパッケージ基板１１側の面と反対側の面上のみに形成されている。
リフレクタ２５は、パッケージ基板１１の上面に、例えばエポキシ樹脂等からなる接着材によって固定することで設けられた柱状の枠体である。リフレクタ２５は、シリコーン樹脂等の樹脂材内に光散乱材を分散させたいわゆる白樹脂と称される材料からなっている。リフレクタ２５は、貫通孔２５Ａを有し、貫通孔２５Ａは、パッケージ基板１１の上面から離間する方向に広がっていく逆円錐台形状を有している。
上述したように、発光素子１５が搭載されている面であるパッケージ基板１１の上面、及び接続電極１３の上面は、発光素子１５の周囲において発光素子１５から露出している。リフレクタ２５は、パッケージ基板１１及び接続電極１３の上面の、当該露出した面上に設けられている。すなわち、パッケージ基板１１上において発光素子１５は貫通孔２５Ａの内壁面（内側面）によって囲まれている。換言すれば、リフレクタ２５は、発光素子１５を囲む枠体である。
パッケージ基板１１上面と、リフレクタ２５の貫通孔２５Ａの内壁面によって、逆円錐台形（すり鉢）状のキャビティ２６が形成されている。すなわち、リフレクタ２５は、パッケージ基板１１と共にキャビティ２６を形成しており、当該すり鉢状のキャビティ２６の底面において発光素子１５が収容されている。このような構造の故に、発光素子１５の発光層１９ｂから出射された光は、リフレクタ２５の内壁面によって反射されて、上方に向かう。
すなわち、リフレクタ２５の内壁面は、発光層１９ｂひいては素子１５からの出射光を反射する反射面となっている。
リフレクタ２５を形成する樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、またはポリアミド系樹脂等を用いることができる。また、光散乱材としては、ＴｉＯ2、ＢＮ、Ａｌ2Ｏ3、ＺｎＯ、ＢａＳＯ4、ＳｉＯ2などの白色顔料粒子を用いることができる。
本実施例では、リフレクタ２５、接続電極１３、及びパッケージ基板１１が別体として形成された例について説明している。しかし、樹脂製のリフレクタ２５及びパッケージ基板１１に金属製の接続電極１３をインサート成形することによりこれらを一体的に（一体型として）形成したＰＬＣＣ（Plastic leaded chip carrier）タイプのパッケージとすることもできる。ＰＬＣＣタイプのパッケージとする場合には、パッケージ基板１１及びリフレクタ２５の材料に、例えばポリアミド系樹脂を用いることができる。
封止体２７は、リフレクタ２５のキャビティ２６内に充填されたシリコーン系樹脂等の透光性樹脂からなっている。すなわち、発光素子１５、ボンディングワイヤ２１、及び遮光体２３は、封止体２７によってキャビティ２６内に埋設されている。換言すれば、封止体２７は、発光素子１５、ボンディングワイヤ２１、及び遮光体２３をパッケージ基板１１上に埋設するように形成されている。封止体２７の上面は、発光装置１０の光出射面２８となっている。
封止体２７には、蛍光体粒子及び光散乱材が含まれている。蛍光体粒子には、例えば青色光によって励起されて黄色蛍光を出射するＣｅ附活イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ：Ｃｅ）、Ｃｅ附活テルビウム・アルミニウム・ガーネット（ＴＡＧ：Ｃｅ）、オルトシリケート蛍光体（（ＢａＳｒＣａ）ＳｉＯ4、他）、αサイアロン蛍光体（Ｃａ−α−ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕなど）などの蛍光体粒子を用いる。光散乱材は、例えばＴｉＯ2 、ＳｉＯ2、ＺｎＯ、Ａｌ2Ｏ3等からなる光散乱性粒子である。
図２は、図１Ｂの破線で囲まれた部分Ａの拡大図である。半導体構造層１９は、素子基板１７上に、ＩｎＧａＮ系半導体層であるｎ型半導体層１９ａ、発光層１９ｂ、ｐ型半導体層１９ｃがこの順に積層されることにより、形成されている。
上述のように、遮光体２３は、素子基板１７上面に形成された樹脂体またはガラス体であり、素子基板１７の上面及び半導体構造層１９の表面を覆っている。遮光体２３は、基材２３ａと当該基材２３ａ内に含有保持されている遮光粒子２３ｂから成る。
基材２３ａは例えば、シリコーン系、エポキシ系、アクリル系などの樹脂材、またはガラス材である。遮光粒子２３ｂは、例えば発光層１９ｂから出射される光を吸収し絶縁性を有するＴｉＮ等の黒色顔料粒子である。遮光粒子２３ｂには、例えばチタン系黒色顔料粒子を用いることができる。
本実施例では、チタン系黒色顔料として、ＴｉＯとＴｉＮとが混合されたチタン系黒色顔料であって、Ｌ値（(L*, a*, b*) 色空間で色の明度、Ｌ＊＝０（黒）〜Ｌ＊＝１００（白））が１６以下、一次粒径が８０−１００ｎｍの、三菱マテリアル電子化成製のチタンブラックを用いた。遮光粒子２３ｂは、光や熱への耐性が強い無機系粒子であることが好ましい。
遮光体２３を樹脂体として構成する場合は、例えば基材２３ａの前駆体である任意に溶剤を含んだ液状の樹脂と遮光粒子２３ｂの混合液を発光素子１５の上面に滴下または塗布、硬化、乾燥することにより形成することができる。
遮光体２３をガラス体として構成する場合は、例えばゾル−ゲル法（加水分解、重合の繰り返し）を用いる。具体的には、アルコキシドを基材２３ａの前駆体として遮光粒子２３ｂを分散した遮光粒子分散ゾルを作製し、遮光粒子分散ゾルをゲル化したものを、発光素子１５の上面に供給後、加熱することで、遮光体２３を形成することができる。
なお、遮光体２３は、発光素子１５の上面上にドーム状に形成することができる。遮光体２３は、中央部の厚みが周辺部と比較して厚い構成とすることができる。また、遮光体２３は、素子基板１７の側面を覆うことなく、発光素子１５の上面のみ、すなわち発光素子１５のパッケージ基板１１側の面と反対側の面上のみを覆うように形成されることが好ましい。換言すれば、半導体構造層１９の上面及び側面並びに素子基板１７の上面のみを覆うように形成されることが好ましい。
例えば、発光素子１５の上面に対して、樹脂の前駆体と遮光粒子の混合液が供給されたときに適切な表面張力となるように、材料選択、及び配合比を調整することより、素子基板１７の側面に当該混合液が濡れ広がることなく発光素子１５の上面のみに遮光体２３を形成することができる。
さらに、発光素子１５の上面の外縁（エッジ）により、遮光体２３の形成範囲を、発光素子１５の上面上に画定することができる。すなわち、遮光体２３の下面の外縁（エッジ）と、発光素子１５の上面の外縁を一致させることができる。その結果、遮光体２３の形状の再現精度が向上し、発光装置を歩留まり良く生産できることに繋がる。
上述のように、発光装置１０においては、半導体構造層１９の上面及び側面並びに素子基板１７の上面が遮光体２３によって覆われている。従って、半導体構造層１９から出射した光は、遮光体２３を通過して封止体２７内に出射されるか、または透光性の素子基板１７を介して封止体２７内に出射される。
半導体構造層１９の上面及び側面から出射した光は、遮光体２３に進入する。遮光体２３に進入した光のうち、一定の割合の光は遮光粒子２３ｂによって吸収され、残りの吸収されなかった光が遮光体２３を透過して、封止体２７に進入する。つまり、半導体構造層１９の上面及び側面からの出射光は、封止体２７に進入する前に、遮光体２３によって吸収されることで減衰し、光度調整がなされる。
また、半導体構造層１９の下面からの出射光は、素子基板１７が透光性を有している故に反射などを経て素子基板１７内の辺縁部へ到達し、素子基板１７の側面から出射する。すなわち、素子基板１７の側面からの出射光は、遮光体２３に進入せずにあまり減衰することなく封止体２７に進入する。
上述の通り、発光装置１０の光出射面２８からの出射光は、遮光体２３を通過して減衰した光及び遮光体２３を介さずに素子基板１７の側面から出射した光からなる。出射面２８からの出射光の光度（強度）は、遮光体２３中の遮光粒子２３ｂの含有濃度を変化させて遮光体を通過する光の減衰率を変化させることによって制御が可能である。
上述したように、本実施例において発光層１９ｂからの出射光は、青色光である。また、封止体２７には、黄色発光のシリケート蛍光体粒子が含まれている。当該シリケート蛍光体は、青色光によって励起され、青の補色となる黄色に発光するため、青色光と黄色光の加法混色によって、光出射面２８から出射する光を白色光とすることができる。
また、発光層１９ｂからの出射光は、封止体２７内において封止体２７内に含まれる光散乱材または蛍光体粒子により散乱された後に光出射面２８から出射される。これにより、光出射面２８において、輝度が均一化された出射光を得ることができる。
従って、光出射面２８からは、蛍光体粒子により色度調整され、散乱材により輝度が均一化された白色光が出射される。
［比較評価］
実施例１の発光装置１０の光度調整の容易性に関して、比較例の発光装置を用いて比較評価を行った。図３は、比較例の発光装置３０の断面図である。比較例の発光装置３０は、実施例１の発光装置１０と同じ基本構成であり、遮光体を有していないことと、封止体中に遮光粒子が含有されている点のみが異なる発光装置である。
［比較評価］
実施例１の発光装置１０の光度調整の容易性に関して、比較例の発光装置を用いて比較評価を行った。図３は、比較例の発光装置３０の断面図である。比較例の発光装置３０は、実施例１の発光装置１０と同じ基本構成であり、遮光体を有していないことと、封止体中に遮光粒子が含有されている点のみが異なる発光装置である。
本比較評価においては、発光装置１０及び３０のパッケージ基板１１及びリフレクタ２５の材質をポリアミド系樹脂とし、接続電極１３をともに一体成形したＰＬＣＣタイプのパッケージを使用した。また、遮光体２３については、基材２３ａにシリコーン樹脂、遮光粒子２３ｂにチタン系黒色顔料である、上述したチタンブラックを用いた。
また、封止体２７にはシリコーン樹脂を用い、蛍光体粒子としてシリケート蛍光体を含有させた。なお、封止体２７には、上記実施例と異なり、封止体２７には光散乱材は含有させていない。また、比較例の発光装置３０については、封止体２７にさらに遮光粒子２３ｂを含有させた。
比較評価においては、実施例１と比較例の発光装置に同量の順方向電流を流し、光出射面２８から出射される出射光の光度の評価を行った。具体的には、実施例１の遮光体２３及び比較例の封止体２７のそれぞれに含有させる遮光粒子２３ｂの濃度と、光度の相関について比較評価を行った。なお、本実験において、遮光粒子２３ｂの濃度は、基材２３ａとなる樹脂の前駆体溶液中の質量パーセント濃度［mass％］とする。また、光度は、遮光粒子を添加しない場合を１００％としたときの相対光度とする。
図４のグラフは、実施例１と比較例の各発光装置について、本比較評価を行った結果である。図４のグラフにおいて、横軸は遮光粒子濃度、縦軸は相対光度を示している。
図４に示すように、比較例の発光装置３０においては、遮光粒子濃度が０％から１％まで上昇すると、相対光度が１００％から０％まで降下してしまう。これに対して、実施例１の発光装置１０では、遮光粒子２３ｂの濃度が０％から３０％に上昇するにつれて相対光度が緩やかに低下する。従って、比較例の発光装置３０よりも、実施例１の発光装置１０の方が遮光粒子２３ｂ濃度による光度の制御が容易であるといえる。
また、実施例１の発光装置においては、遮光粒子２３ｂの濃度が２０％になると光度減少量が飽和し、その後光度がほとんど変化しなくなる。これは、遮光粒子２３ｂの濃度が２０％を超えると、遮光体２３の遮光能力が、半導体構造層１９の上面及び側面から出射する光を完全に遮光するのに十分となり、それ以上変化しなくなるためと予想される。すなわち、遮光粒子２３ｂの濃度が一定以上となると、発光素子１５からの出射光は素子基板１７の側面のみから出射するようになり、光度の変化がなくなるものと予想される。
本実施例のように素子基板１７が透光性である場合、遮光体２３中の遮光粒子２３ｂの含有濃度を高く設定し、発光素子１５の上面から光が出射されないようにする、すなわち発光素子１５の上面を完全に遮光することで、素子基板１７の側面からのみ光を出射させることができる。当該完全な遮光は、遮光体中の遮光粒子２３ｂの含有濃度を、ある一定以上の濃度に設定することで得られる。そのため、完全に遮光しない場合と比較して、遮光粒子２３ｂの濃度管理がさらに容易である。このため、光出射面２８からの出射光の光度に関して、発光装置１０の個体間の安定化が容易となる。すなわち、同光度の発光装置を歩留まり良く生産することが容易となる。
本実施例の発光装置１０において、半導体構造層１９から光出射面２８に向かって直上に出射される光は、半導体構造層１９から水平方向に向かって出射される光と比較して、光出射面２８へ到達するまでの光路長が短くなる。
光路長の短い光は、光散乱材による光散乱と蛍光体粒子による波長変換によってなされる混色調整が不十分なまま光出射面２８から出射されるため、例えば白色出射光の一部が青みがかるなど、光出射面２８において色度の不均一な領域を生じる傾向がある。
発光装置１０において、この光路長の短い光の少なくとも一部が遮光体２３で吸収される。その結果、光出射面２８からの出射光において、混色調整が不十分な領域が生じる現象が、抑制される。従って、光出射面２８においては、光散乱材と蛍光体による混色調整が十分に行われ、色度のより均一化された光が得られる。
また、発光装置１０において、半導体構造層１９から光出射面２８に向かって直上に出射される光は、光出射面２８に達するまでの光路長が短くなることにより、光出射面２８に達するまでに光散乱材により十分に散乱されない傾向がある。その結果、例えば光出射面２８の中央において輝度の高い領域を生じる傾向があり、光出射面２８の出射光の輝度が不均一となる原因となり得る。
発光装置１０において、光路長の短い光の少なくとも一部が遮光体２３で吸収されることによって、上述の輝度の高い領域が生じる現象が、抑制される。従って、実施例１の発光装置１０によれば、光散乱材による光散乱が十分に行われ、光出射面２８において輝度のより均一化された光が得られる。
本実施例の発光装置１０について、色度の視認角度依存性を、比較例の発光装置と同様の構成を有しかつ、封止体２７内に遮光粒子２３ｂを全く添加しないものを従来品と見立てて比較を行った。CIE色度系に基づき、発光素子の光軸を０°とし、角度−６０°〜＋６０°のΔＣxΔＣyにより色分離の程度を評価したところ、本実施例において、従来品よりも色分離の度合いが緩和されていた。すなわち、本実施例の発光装置１０によれば、出射光の色度の視認角度依存性をより低くすることが可能である。
また、実施例１の発光装置１０においては、遮光粒子２３ｂを含有している、光度を調整するための遮光体２３が発光素子１５の上面にのみ形成されており、遮光体２３が発光素子１５と共に封止体２７に埋設されている。そのため、遮光体２３への遮光粒子２３ｂの添加の有無によって、光出射面からみた外観に差がほとんど生じない。従って、上記実施例の発光装置によれば、発光装置の意匠性を変更することなく光度調整することが可能である。
図５Ａは、発光装置４０の上面図である。図５Ｂは図４Ａの、５Ｂ−５Ｂ線に沿った断面図である。
第１の基板としてのパッケージ基板４１は、例えばガラスエポキシ基板である。パッケージ基板４１には、ガラスシリコーン基板、またはアルミナやＡｌＮなどのセラミック材料からなる基板を用いることもできる。パッケージ基板４１の表面には、Ｃｕ等の導体を当該表面にメッキ等することで形成された接続電極４３が設けられている。接続電極４３は、ｐ接続電極層４３ａ及びｎ接続電極層４３ｂを含んでいる。
接続電極層４３a及び４３ｂは、パッケージ基板４１の一方の主面（上面）から側面を通り他方の主面（下面）まで延在するように形成されている。ｐ接続電極層４３ａとｎ接続電極層４３ｂとは、パッケージ基板４１の表面上において互いに離間して形成されることによって、絶縁されている。
パッケージ基板４１の一方の主面（上面）側に形成されている接続電極４３a及び４３ｂ上には、発光素子４５が搭載されている。発光素子４５は、平面形状がパッケージ基板４１よりも小さい。従って、パッケージ基板４１、ｐ接続電極４３a及びｎ接続電極４３ｂの上面は、発光素子４５の周囲において発光素子４５から露出している。なお、以下において、パッケージ基板４１の上面と同じ方向を向く面を上面として説明する。さらに、上面と反対の方向を向く面を下面とする。また、パッケージ基板４１の上面が向いている方向を上方、その反対方向を下方として説明する。
発光素子４５は、第２の基板としての素子基板４７と素子基板４７の下面に形成され且つ発光層４９ｂ（図６参照）を含む半導体構造層４９からなる。素子基板４７は、ＳｉＣやサファイア（Ａｌ2Ｏ3）等の発光層４９ｂからの出射光に対して透光性を有する透光性基板で形成されている。素子基板４７は、透光性を有していれば、ＳｉＣのように導電性であっても、サファイアのように非導電性であってもよい。
半導体構造層４９は、発光層を含むＩｎＧａＮ系半導体層を素子基板４７に積層あるいは接合することにより形成されている。半導体構造層４９は、半導体材料をエピタキシャル成長などにより結晶成長させることにより積層されている。半導体構造層４９の発光層からは、例えば波長約４５０ｎｍの青色光が出射される。すなわち、発光素子４５は、パッケージ基板上４１から半導体構造層４９、素子基板４７の順に配されるようにパッケージ基板上に設けられている。
遮光体５３は、発光素子４５の上面を覆うように形成されている遮光性粒子を含有する樹脂体またはガラス体である。換言すれば、遮光体５３は、発光素子４５のパッケージ基板４１側の面と反対側の面に形成されている。
リフレクタ５５は、パッケージ基板４１の上面に、例えばエポキシ樹脂等からなる接着材によって固定することで設けられた柱状の枠体である。リフレクタ５５は、シリコーン樹脂等の樹脂材内に散乱材を分散させたいわゆる白樹脂と称される材料からなっている。リフレクタ５５は、貫通孔５５Ａを有し、貫通孔５５Ａは、パッケージ基板４１の上面から離間する方向に広がっていく逆円錐台形状を有している。上述したように、発光素子４５が搭載されている面であるパッケージ基板の上面は、発光素子４５の周囲において発光素子４５から露出している。リフレクタ５５は、パッケージ基板４１及び接続電極４３の上面の、当該露出した面上に設けられている。すなわち、発光素子４５は、貫通孔５５Ａの内壁面（内側面）によって囲まれている。換言すれば、リフレクタ５５は、発光素子４５を囲む枠体である。
パッケージ基板４１上面と、リフレクタ５５の貫通孔５５Ａの内壁面によって、逆円錐台形（すり鉢）状のキャビティ５６が形成されている。すなわち、リフレクタ５５は、パッケージ基板４１と共にキャビティ５６を形成しており、当該すり鉢状のキャビティ５６の底面において発光素子４５が収容されている。このような構造の故に、発光層４９ｂから出射された光は、リフレクタ５５の内壁によって反射されて、上方に向かう。
すなわち、リフレクタ５５の内壁面は、発光層４９ｂからの出射光を反射する反射面となっている。
すなわち、リフレクタ５５の内壁面は、発光層４９ｂからの出射光を反射する反射面となっている。
リフレクタ５５を形成する樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、またはポリアミド系樹脂等を用いることができる。また、散乱材としては、ＴｉＯ2、ＢＮ、Ａｌ2Ｏ3、ＺｎＯ、ＢａＳＯ4、ＳｉＯ2などの白色顔料粒子を用いることができる。
本実施例では、リフレクタ５５、接続電極４３、及びパッケージ基板４１が別体として形成された例について説明している。しかし、樹脂製のリフレクタ５５及びパッケージ基板４１に金属製の接続電極４３をインサート成形することにより、これらを一体的に（一体型として）形成したＰＬＣＣ（Plastic leaded chip carrier）タイプのパッケージとすることもできる。ＰＬＣＣタイプのパッケージとする場合には、パッケージ基板１１及びリフレクタ５５の材料に、例えばポリアミド系樹脂を用いることができる。
封止体５７は、リフレクタ５５のキャビティ５６内に充填されたシリコーン系樹脂等の透光性樹脂からなっている。すなわち、発光素子４５、及び遮光体５３は、封止体５７によってキャビティ５６内に埋設されている。換言すれば、封止体５７は、発光素子４５、及び遮光体５３をパッケージ基板４１上に埋設するように形成されている。封止体５７の上面は、発光装置４０の光出射面５８となっている。
封止体５７には、蛍光体粒子及び光散乱材が含まれている。蛍光体粒子には、例えば青色光に励起されて黄色蛍光を出射するＹＡＧ：Ｃｅ、ＴＡＧ：Ｃｅ、オルトシリケート蛍光体、αサイアロン蛍光体などの蛍光体粒子を用いる。光散乱材は、例えばＴｉＯ2 、ＳｉＯ2、ＺｎＯ、Ａｌ2Ｏ3等からなる光散乱性粒子である。
図６は、図５Ｂの破線で囲まれた部分Ｍの拡大図である。
半導体構造層４９は、素子基板４７の下面側から、ＩｎＧａＮ系半導体であるｎ型半導体層４９ａ、発光層４９ｂ、ｐ型半導体層４９ｃこの順に積層されることによって形成されている。
半導体構造層４９のｐ型半導体層４９ｃの表面には、例えばＡｕからなるｐ電極５０ａが形成されている。ｐ電極５０ａは、金属バンプ（図示せず）によってｐ接続電極４３ａに固定され、ｐ接続電極４３ａに電気的に接続されている。
また、半導体構造層４９には、ｐ型半導体層４９ｃの表面からｐ型半導体層４９ｃ及び発光層４９ｂを貫通しｎ型半導体層４９ａに達するコンタクト孔５１が形成されている。コンタクト孔５２の側面において露出するｐ型半導体層４９ｃ及び発光層４９ｂの表面は、絶縁材料からなる絶縁膜５２によって覆われている。
ｎ電極５０ｂは、コンタクト孔５１内にＡｕ等の導電体を充填することによって形成されている。すなわち、ｎ電極５０ｂは、ｎ型半導体層４９ａに接しかつ電気的に接続されている。また、ｎ電極５０ｂは、ｐ型半導体層４９ｃの表面から突出するように形成されている。
ｎ電極５０ｂは、当該ｐ型半導体層４９ｃの表面からの突出している部分において、金属バンプ（図示せず）を介してｐ接続電極４３ｂに固定されて、ｐ接続電極４３ｂに電気的に接続されている。従って、接続電極４３ｂとｎ型半導体層４９ａとは、ｎ電極５０ｂを介して電気的に接続されている。
上述のように遮光体５３は、素子基板４７上面、すなわち半導体構造層４９の配された下面とは反対側の面に形成された樹脂体またはガラス体からなり、素子基板５７の表面を覆っている。遮光体５３は、基材５３ａと当該基材５３内に含有保持されている遮光粒子５３ｂから成る。
基材５３ａは、例えばシリコーン系、エポキシ系、アクリル系などの樹脂体またはガラス体である。
遮光粒子５３ｂは、例えば発光層４９ｂから出射される光を吸収する黒色顔料粒子である。遮光粒子５３ｂには、例えばチタン系黒色顔料粒子を用いることができる。本実施例では、ＴｉＯとＴｉＮとが混合されたチタン系黒色顔料であって、Ｌ値（(L*, a*, b*) 色空間で色の明度、Ｌ＊＝０（黒）〜Ｌ＊＝１００（白））が１６以下、一次粒径が８０−１００ｎｍの、三菱マテリアル電子化成製のチタンブラックを用いた。遮光粒子５３ｂは、光や熱への耐性が強い無機系粒子であることが好ましい。
遮光体５３を樹脂体として構成する場合は、例えば基材５３aの前駆体である任意に溶剤を含んだ液状の樹脂と遮光粒子５３ｂの混合液を発光素子４５の上面に滴下または塗布、硬化、乾燥することにより形成される。
遮光体５３をガラス体として構成する場合は、例えばゾルーゲル法（加水分解、重合の繰り返し）により形成する。アルコキシドを前駆体として遮光粒子分散ゾルを作製し、遮光粒子分散ゾルをゲル化し、発光素子４５の上面に供給後、加熱することで、遮光体５３を形成することができる。
なお、遮光体５３は、発光素子１５の上面上にドーム状に形成することができる。遮光体５３は、中央部の厚みが周辺部と比較して厚い構成とすることができる。また、遮光体５３は、素子基板４７の側面を覆うことなく、素子基板４７の上面のみすなわち素子基板４７のパッケージ基板４１側の面と反対側の面上のみ、を覆うように形成することが好ましい。
例えば、素子基板４７の上面に対して、樹脂の前駆体と遮光粒子５３ｂの混合液が供給されたときに適切な表面張力となるように、材料選択、及び配合比を調整することより、素子基板４７の側面に当該混合液が濡れ広がることなく素子基板４７の上面のみに遮光体５３を形成することができる。
さらに、素子基板４７上面の外縁（エッジ）により、遮光体５３の形成範囲を、素子基板４７の上面上に画定することができる。すなわち、遮光体５３の下面の外縁（エッジ）と、素子基板４７の上面の外縁を一致させることができる。その結果、遮光体５３の形状の再現精度が向上し、発光装置を歩留まり良く生産できることに繋がる。
上述のように、発光装置４０においては、素子基板４７の上面が遮光体５３によって覆われている。従って、発光層４９ｂの上面からの出射光は、透光性の素子基板４７に進入した後、素子基板４７の上面の遮光体５３を通過して封止体５７内に出射されるか、または素子基板４７の側面から封止体５７内に出射される。半導体構造層４９の側面からの出射光は、封止体５７内に出射される。
半導体構造層４９の上面からの出射光の内、素子基板４７の上面から出射した光は、遮光体５３に進入する。遮光体５３に進入した光のうち、一定の割合の光は遮光粒子５３ｂによって吸収され、残りの吸収されなかった光が遮光体５３を透過して、封止体５７へ進む。つまり、素子基板４７の上面から出射した光は、封止体５７に進入する以前に、遮光体５３によって吸収されることで減衰し、光度調整がなされる。
半導体構造層４９の上面からの出射光の内、素子基板４７の側面から出射した光は、遮光体５３に進入する事無く、封止体５７へ進む。
半導体構造層４９の側面からの出射光は、遮光体５３にも素子基板４７にも進入することなく、封止体５７へ進む。
上述の通り、発光装置４０の光出射面５８からの出射光は、遮光体５３を通過して減衰した光、遮光体５３を介していない素子基板４７の側面及び半導体構造層４９の側面から出射した光からなる。出射面５８からの出射光の光度（強度）は、遮光体５３中の遮光粒子２３ｂの含有濃度を変化させて遮光体を通過する光の減衰率を変化させることによって制御が可能である。
上述したように、本実施例において発光層４９ｂからの出射光は、青色光である。また、封止体５７には、黄色発光のシリケート蛍光体粒子が含まれている。当該シリケート蛍光体は、青色光によって励起され、青の補色となる黄色に発光するため、青色光と黄色光の加法混色によって、光出射面２８から出射する光を白色光とすることができる。
上述したように、遮光粒子５３ｂの濃度をある一定濃度以上とすることで、素子基板４７の上面から出射する光を完全に遮光する状態に近づけることができる。すなわち、遮光粒子５３ｂの濃度が一定以上となると、発光素子４５からの出射光は素子基板４７の側面のみから出射するようになり、それ以上遮光粒子５３ｂの濃度を上げても、光度がほとんど変化しなくなる。その結果、遮光体５３中の遮光粒子２３ｂの濃度管理が容易となり、発光装置４０の個体間で、光出射面２８からの出射光の光度が安定化できる。すなわち、同光度の発光装置を歩留まり良く生産することが容易となる。
発光装置４０の、半導体構造層４９から光発光面５８に向かって直上に出射される光は、半導体構造層４９から水平方向に向かって出射される光と比較して、光出射面５８へ到達するまでの光路長が短くなる。光路長の短い光のうち少なくとも一部は、遮光体５３で吸収される。
光路長の短い光は、光散乱材による光散乱と蛍光体粒子による波長変換によってなされる混色調整が不十分なまま光出射面５８から出射されるため、例えば白色出射光の一部が青みがかるなど、光出射面５８において色度の不均一な領域を生じる傾向がある。
発光装置４０において、この光路長の短い光の少なくとも一部が遮光体５３で吸収される。その結果、光出射面５８からの出射光において、混色調整が不十分な領域が生じる現象が、抑制される。従って、光出射面５８においては、光散乱材と蛍光体粒子による混色調整が十分に行われ、色度のより均一化された光が得られる。
また、発光装置４０において、半導体構造層４９から光出射面５８に向かって直上に出射される光は、光出射面５８に達するまでの光路長が短くなることにより、光出射面５８に達するまでに光散乱材により十分に散乱されない傾向がある。その結果、光出射面５８において輝度の高い領域を生じる傾向があり、光出射面５８の出射光の輝度が不均一となる原因となり得る。
発光装置４０において、光路長の短い光の少なくとも一部が遮光体５３で吸収されることによって、上述の輝度の高い領域が生じる現象が、抑制される。従って、実施例２の発光装置４０によれば、光出射面５８において、光散乱材による光散乱が十分に行われ、輝度のより均一化された光が得られる。
上述の通り、光出射面５８においては、光散乱材による光散乱と蛍光体粒子から出射する蛍光による混色調整が十分に行われ、輝度、色度ともにより均一化された光が得られる。
また、実施例２の発光装置４０においては、遮光粒子５３ｂを含有している、光度を調整するための遮光体５３が発光素子４５の上面にのみ形成されており、遮光体５３が発光素子４５と共に封止体５７に埋設されている。封止体５７には、蛍光体粒子及び散乱材が含有されているため、所定の光散乱効果がある。そのため、遮光体５３への遮光粒子５３ｂの添加の有無によって、光出射面からみた外観に差がほとんど生じない。従って、上記実施例の発光装置によれば、発光装置の意匠性を変更することなく光度調整することが可能である。
[変形例]
図７は、実施例１の発光装置１０において、透光性の素子基板１７の代わりに、非透光性の素子基板１７Ｂを用いた変形例の、一部拡大断面図Ｂである。上面図及び断面図については、図１Ａ及び図１Ｂと同様の構造を有している。
[変形例]
図７は、実施例１の発光装置１０において、透光性の素子基板１７の代わりに、非透光性の素子基板１７Ｂを用いた変形例の、一部拡大断面図Ｂである。上面図及び断面図については、図１Ａ及び図１Ｂと同様の構造を有している。
素子基板１７Ｂは、Ｓｉなどの非透光性基板で形成されている。半導体構造層１９との格子定数の違いにより、素子基板１７Ｂを成長基板とできない場合がある。本変形例では別の基板上に半導体構造層１９をｐ型半導体層１９ａ、発光層１９ｂ及びｎ型半導体層１９ｃをこの順に成長させた後、接合層（図示せず）を介して素子基板１７Ｂ上に半導体構造層１９を接合することにより、図７の構造を形成する場合を例に説明する。
従って、図２と図７の半導体構造層１９は、下面から上面に向かって積層される膜種の順序が逆になっている。すなわち図７の場合は、素子基板１７Ｂ、ｐ型半導体層１９ｃ、発光層１９ｂ、ｎ型半導体層１９ａの順に積層された構造となっている。
図７の構成を有する発光装置において、発光層１９ｂからの出射光は、素子基板１７Ｂ上面から出射し、遮光体を透過した光のみが光出射面２８から出射する。遮光体２３中の遮光粒子２３ｂの含有濃度を変化させることで、光出射面２８からの出射光の光度調整が可能である。
図８は、発光装置が封止体の形状が異なりかつリフレクタ２５、５５（図２及び図５参照）を持たない変形例である発光装置７０の断面図である。第１の基板としてのパッケージ基板７１、接続電極７３、第２の基板としての素子基板７５及び半導体構造層７７を含む発光素子７９、表面電極８０、ボンディングワイヤ８１及び遮光体８３がそれぞれ配されている構成は、実施例１と同様である。
図８においては、発光素子７５、遮光体８３、及びボンディングワイヤ８１はリフレクタによって囲繞されておらず、半球状に成形された封止体８７によってパッケージ基板７１上に埋設されている。
封止体８７は、シリコーン樹脂などの透光性樹脂からなり、コンプレッション成形などにより、例えば半球状などの凸レンズ形状に成形されている。封止体８７を構成する樹脂としては、エポキシ樹脂、エポキシ変性シリコーン樹脂などのハイブリッド樹脂、ウレタン樹脂を使用することも可能である。また、封止体８７は、蛍光体粒子、散乱材を含有していても良い。なお、封止体８７の表面がレンズの役割を果たし、発光素子７９からの出射光が上方へ向かうようになされている。
上述の実施例においては、遮光粒子に絶縁性を有するチタン系黒色顔料を用いる例を説明したが、本発明の遮光体に用いる遮光粒子には、カーボンなどの導電性の黒色粒子を用いてもよい。その場合は、発光装置内での短絡を防止するためシリカなどで表面を絶縁処理した粒子を用いることが好ましい。
また、遮光粒子には半導体構造層から出射される光を吸収または散乱可能な粒子であれば黒色以外の様々な色の粒子を用いることも可能である。例えば、白色等の光散乱性粒子を用いることも可能である。
また、遮光体の厚みを溶剤、樹脂、遮光粒子の混合液の粘度によって調整することとしてもよい。なお遮光体を形成する際に、複数回に分けて重ねて樹脂材またはガラス材料の前駆体と遮光粒子の混合液を滴下または塗布することにより、遮光体の厚みまたは形状を調整することとしてもよい。
実施例１においては、導電性の素子基板を用いる場合について説明したが、この限りではない。本発明の素子基板は非導電性でもよい。その場合は、いずれの導電型の半導体層にも導通が取れるように、実施例２の半導体構造層４９のような電極構造を形成して、ｐ及びｎのそれぞれの電極とｎ接続電極１３ａ及びｐ接続電極１３ｂの各々とを電気的に接続すればよい。
上記実施例においては、封止体２７、５７に蛍光体粒子、光散乱材を含有させる例について説明したが、蛍光体粒子、光散乱材のうちいずれか一方、または両方を封止体２７、５７に含有させなくてもよい。又、封止体は必ずしも形成する必要なく、封止体を設けなくともよい。
上記実施例の発光装置を上方から見た場合に、遮光体は発光素子の上面という全体から見て非常に小さな領域にのみに形成されている。そのため、発光装置において封止体を設けない場合でも、遮光体の形成の有無によって、大きな外観上の差は発生しない。
上述の実施例においては、パッケージのキャビティに封止体を埋め込んだ、所謂バスタブ型の発光装置または図８に示したレンズ成形タイプの発光装置について説明したが、この限りではない。例えば、いわゆる砲弾型の発光装置にも適用可能である。
上記実施例１及び２においては、素子基板１７、４７上に半導体構造層１９、４９を構成する半導体層を成長させてなる発光素子１５、４５を例に説明した。しかし、上述の図８に示す変形例の発光装置７０のように、素子基板１７、４７とは異なる基板上に半導体構造層を構成する半導体層を成長させてもよい。その場合、当該成長させた半導体層を支持基板としての素子基板１７、４７に貼り替えることとなる。
上述した実施例における種々の構成及び材料等は、例示に過ぎず、用途及び製造される発光装置等に応じて、適宜選択することができる。
上述の実施例においては、発光装置に用いる半導体構造層をＩｎＧａＮ系として説明したが、この限りではなく、他の材質も適用できる。例えば、ＡｌＧａＩｎＰ系、ＧａＡｓＰ系なども適用可能であり、半導体構造層からの青色以外の発光色を得ることができる。また、蛍光体粒子についても、上記の実施例においては青色光に励起されて黄色に発光するシリケート系蛍光体について説明したが、この限りではなく、他の構造の蛍光体粒子も適用可能である。半導体構造層からの出射光の波長と蛍光体粒子の種類の組み合わせにより、発光装置の発光色を白色以外にも制御できる。
１０、３０、４０、７０ 発光装置
１１、４１、７１ パッケージ基板
１３、４３、７３ 接続電極
１５、４５、７９ 発光素子
１７、４７、７５ 素子基板
１９、４９、７７ 半導体構造層
２１、８１ 導電ワイヤ
２３、５３、８３ 遮光体
２５、５５ リフレクタ
２７、５７、８７ 封止体
２８、５８ 光出射面
１１、４１、７１ パッケージ基板
１３、４３、７３ 接続電極
１５、４５、７９ 発光素子
１７、４７、７５ 素子基板
１９、４９、７７ 半導体構造層
２１、８１ 導電ワイヤ
２３、５３、８３ 遮光体
２５、５５ リフレクタ
２７、５７、８７ 封止体
２８、５８ 光出射面
Claims (5)
- 第１の基板と、
第２の基板及び前記第２の基板上に形成され且つ発光層を含む半導体構造層からなり、前記第１の基板上に搭載された発光素子と、
前記発光素子の、前記第１の基板側の面と反対側の面上のみに形成され、遮光粒子を含む材料からなる遮光体と、
を有することを特徴とする発光装置。 - 前記第２の基板は、前記発光層からの出射光に対して透光性を有する透光性基板であることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
- 前記発光素子及び前記遮光体を前記第１の基板上に埋設するように形成された封止体を含み、前記封止体は蛍光体粒子または光散乱材を含むことを特徴とする請求項１乃至２のいずれか１に記載の発光装置。
- 前記発光素子が搭載された前記第１の基板面上に設けられて、前記発光素子を囲む枠体を有し、前記枠体の内側面は前記発光層からの出射光を反射する反射面であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１に記載の発光装置。
- 前記半導体構造層及び前記第２の基板は、前記第１の基板上から前記半導体構造層、前記第２の基板の順に配されており、前記第２の基板の前記第１の基板側の面と反対側の面に前記遮光体が形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１に記載の発光装置。
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